RT-Thread学习笔记(7)：线程管理

线程基本概念

RT-Thread的线程可认为是一系列独立线程的集合。每个线程在自己的环境中运行。在任何时刻，只有一个线程得到运行，RT-Thread调度器决定运行哪个线程。调度器会不断启动、停止每一个线程，宏观看上去所有的线程都在同时在执行。作为线程，不需要对调度器的活动有所了解，在线程切入切出时保存上下文环境（寄存器值、堆栈内容）是调度器主要的职责。为了实现这点，每个RT-Thread线程都需要有自己的堆栈。当线程切出时，它的执行环境会被保存在该线程的堆栈中，这样当线程再次运行时，就能从堆栈中正确的恢复上次的运行环境。

RT-Thread中的线程是抢占式调度机制，同时支持时间片轮转调度方式。高优先级的线程可打断低优先级线程，低优先级线程必须在高优先级线程阻塞或结束后才能得到调度。

线程调度器

RT-Thread 的线程调度器是抢占式的，主要的工作就是从就绪线程列表中查找最高优先级线程，保证最高优先级的线程能够被运行，最高优先级的任务一旦就绪，总能得到 CPU 的使用权。

当一个运行着的线程使一个比它优先级高的线程满足运行条件，当前线程的 CPU 使用权就被剥夺了，或者说被让出了，高优先级的线程立刻得到了 CPU 的使用权。

如果是中断服务程序使一个高优先级的线程满足运行条件，中断完成时，被中断的线程挂起，优先级高的线程开始运行。

当调度器调度线程切换时，先将当前线程上下文保存起来，当再切回到这个线程时，线程调度器将该线程的上下文信息恢复。

线程状态

RT-Thread系统中的每一线程都有多种运行状态。系统初始化完成后，创建的线程就可以在系统中竞争一定的资源，由内核进行调度。
线程状态通常分为以下五种：

• 初始态（RT_THREAD_INIT）：创建线程的时候会将线程的状态设置为初始态。
• 就绪态（RT_THREAD_READY）：该线程在就绪列表中，就绪的线程已经具备执行的能力，只等待CPU。
• 运行态（RT_THREAD_RUNNING）：该线程正在执行，此时它占用处理器。
• 挂起态（RT_THREAD_SUSPEND）：如果线程当前正在等待某个时序或外部中断，我们就说这个线程处于挂起状态，该线程不在就绪列表中。包含线程被挂起、线程被延时、线程正在等待信号量、读写队列或者等待读写事件等。
• 关闭态（RT_THREAD_CLOSE）：该线程运行结束，等待系统回收资源。

状态转化：

• 初始态→就绪态：线程创建后进入初始态，在线程启动的时候（调用rt_thread_startup()函数）会将初始态转变为就绪态，表明线程已启动，线程可以进行调度。
• 就绪态→运行态：发生线程切换时，就绪列表中最高优先级的线程被执行，从而进入运行态。
• 运行态→挂起态：正在运行的线程发生阻塞（挂起、延时、读信号量等待）时，该线程会从就绪列表中删除，线程状态由运行态变成挂起态，然后发生线程切换，运行就绪列表中最高优先级线程。
• 挂起态→就绪态：阻塞的线程被恢复后（线程恢复、延时时间超时、读信号量超时或读到信号量等），此时被恢复的线程会被加入就绪列表，从而由挂起态变成就绪态；此时如果被恢复线程的优先级高于正在运行线程的优先级，则会发生线程切换，将该线程由就绪态变成运行态。
• 就绪态→挂起态：线程也有可能在就绪态时被挂起，此时线程状态会由就绪态转变为挂起态，该线程从就绪列表中删除，不会参与线程调度，直到该线程被恢复。
• 运行态→就绪态：有更高优先级线程创建或者恢复后，会发生线程调度，此刻就绪列表中最高优先级线程变为运行态，那么原先运行的线程由运行态变为就绪态，依然在就绪列表中。
• 挂起态→关闭态：处于挂起的线程被调用删除接口，线程状态由挂起态变为关闭态。
• 运行态→关闭态：运行状态的线程，如果运行结束会在线程最后部分执行rt_thread_exit()函数而更改为关闭状态。

线程创建的过程

线程控制块的重要成员

• thread->entry：函数指针
• thread->parameter：函数参数
• thread->stack_addr：栈的起始地址
• thread->stack_size：栈大小
• thread->sp：栈顶
• thread->init_priority：初始优先级
• thread->current_priority：当前优先级
• thread->init_tick：一次能运行多少个tick
• thread->remaining_tick：当次运行还剩多少个tick

创建线程的过程

rt_thread_create
	// 1. 分配线程结构体
	thread = (struct rt_thread *)rt_object_allocate(RT_Object_Class_Thread,name);
	// 2. 分配栈
	stack_start = (void *)RT_KERNEL_MALLOC(stack_size);
	// 3. 初始化栈，即构造栈的内容
	_rt_thread_init
		// 3.1 具体操作
		thread->sp = (void *)rt_hw_stack_init

线程挂起函数

线程挂起可以由多种方法实现：线程调用rt_thread_delay()、rt_thread_suspend()等函数接口可以使得线程主动挂起，放弃CPU使用权，当线程调用rt_sem_take()，rt_mb_recv()等函数时，资源不可使用也会导致调用线程被动挂起。

• 代码清单 17-1(1)：判断线程是否有效，如果是没被创建的线程，那么无法挂起。
• 代码清单 17-1(2)：判断要挂起线程的状态，如果是已经挂起了，会返回错误码，用户可以在恢复线程后再挂起。
• 代码清单 17-1(3)：将线程的状态变为挂起态。
• 代码清单 17-1(4)：停止线程计时器。

注：通常不应该使用这个函数来挂起线程本身，如果确实需要采用rt_thread_suspend函数挂起当前线程，需要在调用rt_thread_suspend()函数后立刻调用rt_schedule()函数进行手动的线程上下文切换。

线程恢复函数

• 代码清单 17-3(1)：判断线程是否有效，如果是没被创建的线程，那么无法恢复。并且检查当前线程是否已经挂起，要恢复的线程当然是必须是挂起态的，如果不是挂起态的根本不需要进行恢复。
• 代码清单 17-3(2)：将线程从挂起列表中删除。
• 代码清单 17-3(3)：将恢复的线程加入就绪列表，但是此时线程能不能立即运行是根据其优先级决定的，如果该线程的优先级在就绪列表中最高，那么是可以立即运行的。

线程设计要点

RT-Thread中程序运行的上下文包括：

中断服务函数：

中断服务函数是一种需要特别注意的上下文环境，它运行在非线程的执行环境下（一般为芯片的一种特殊运行模式（也被称作特权模式）），在这个上下文环境中不能使用挂起当前线程的操作，不允许调用任何会阻塞运行的API函数接口。另外需要注意的是，中断服务程序最好保持精简短小，快进快出，一般在中断服务函数中只做标记事件的发生，让对应线程去执行相关处理，因为中断服务函数的优先级高于任何优先级的线程，如果中断处理时间过长，将会导致整个系统的线程无法正常运行。所以在设计的时候必须考虑中断的频率、中断的处理时间等重要因素，以便配合对应中断处理线程的工作。

线程：

线程看似没有什么限制程序执行的因素，似乎所有的操作都可以执行。但是做为一个优先级明确的实时系统，如果一个线程中的程序出现了死循环操作（此处的死循环是指没有不带阻塞机制的线程循环体），那么比这个线程优先级低的线程都将无法执行，当然也包括了空闲线程，因为死循环的时候，线程不会主动让出CPU，低优先级的线程是不可能得到CPU的使用权的，而高优先级的线程就可以抢占CPU。这个情况在实时操作系统中是必须注意的一点，所以在线程中不允许出现死循环。如果一个线程只有就绪态而无阻塞态，势必会影响到其他低优先级线程的执行，所以在进行线程设计时，就应该保证线程在不活跃的时候，线程可以进入阻塞态以交出CPU使用权，这就需要我们自己明确知道什么情况下让线程进入阻塞态，保证低优先级线程可以正常运行。在实际设计中，一般会将紧急的处理事件的线程优先级设置得高一些。

空闲线程：

空闲线程（idle线程）是RT-Thread系统中没有其他工作进行时自动进入的系统线程。用户可以通过空闲线程钩子方式，在空闲线程上钩入自己的功能函数。通常这个空闲线程钩子能够完成一些额外的特殊功能，例如系统运行状态的指示，系统省电模式等。除了空闲线程钩子，RT-Thread系统还把空闲线程用于一些其他的功能，比如当系统删除一个线程或一个动态线程运行结束时，会先行更改线程状态为非调度状态，然后挂入一个待回收队列中，真正的系统资源回收工作在空闲线程完成，空闲线程是唯一不允许出现阻塞情况的线程，因为RT-Thread需要保证系统用于都有一个可运行的线程。
对于空闲线程钩子上挂接的空闲钩子函数，它应该满足以下的条件：
-不会挂起空闲线程；
-不应该陷入死循环，需要留出部分时间用于系统处理系统资源回收。

线程执行时间

线程的执行时间一般是指两个方面，一是线程从开始到结束的时间，二是线程的周期。

在系统设计的时候这两个时间候我们都需要考虑，例如，对于事件A对应的服务线程Ta，系统要求的实时响应指标是10ms，而Ta的最大运行时间是1ms，那么10ms就是线程Ta的周期了，1ms则是线程的运行时间，简单来说线程Ta在10ms内完成对事件A的响应即可。此时，系统中还存在着以50ms为周期的另一线程Tb，它每次运行的最大时间长度是100us。在这种情况下，即使把线程Tb的优先级抬到比Ta更高的位置，对系统的实时性指标也没什么影响，因为即使在Ta的运行过程中，Tb抢占了Ta的资源，等到Tb执行完毕，消耗的时间也只不过是100us，还是在事件A规定的响应时间内(10ms)，Ta能够安全完成对事件A的响应。但是假如系统中还存在线程Tc，其运行时间为20ms，假如将Tc的优先级设置比Ta更高，那么在Ta运行的时候，突然间被Tc打断，等到Tc执行完毕，那Ta已经错过对事件A（10ms）的响应了，这是不允许的。所以在我们设计的时候，必须考虑线程的时间，一般来说处理时间更短的线程优先级应设置更高一些。

API

详细API可查询RT-Thread官网手册。

参考

本节笔记参考于：野火-《RT-Thread内核实现与应用开发实战》
以及RT-Thread官网：线程管理